توليد الكهرباء

توليد الكهرباء هو عملية توليد الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة الأولية . بالنسبة لشركات المرافق في صناعة الطاقة الكهربائية ، فهي المرحلة التي تسبق توصيلها ( نقلها ، توزيعها ، إلخ) إلى المستخدمين النهائيين أو تخزينها ، باستخدام طريقة التخزين بالضخ على سبيل المثال .

لا تتوفر الكهرباء القابلة للاستهلاك مجانًا في الطبيعة، لذا يجب "إنتاجها" عن طريق تحويل أشكال الطاقة الأخرى إلى كهرباء. ويتم الإنتاج في محطات توليد الطاقة . غالبًا ما تُولّد الكهرباء في محطات الطاقة بواسطة مولدات كهروميكانيكية ، تعمل أساسًا بمحركات حرارية تعمل بالاحتراق أو الانشطار النووي ، ولكن أيضًا بوسائل أخرى مثل الطاقة الحركية للمياه الجارية والرياح. تشمل مصادر الطاقة الأخرى الطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة الحرارية الأرضية . توجد طرق مبتكرة وغير تقليدية لاستعادة الطاقة، مثل تصاميم مفاعلات الاندماج المقترحة التي تهدف إلى استخلاص الطاقة مباشرة من المجالات المغناطيسية الشديدة الناتجة عن الجسيمات المشحونة سريعة الحركة الناتجة عن تفاعل الاندماج (انظر الديناميكا المغناطيسية المائية ).

يُعدّ التخلص التدريجي من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، ثم محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز في نهاية المطاف ، ^{[ 1 ]} أو، إن أمكن، احتجاز انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الناتجة عنها ، جزءًا هامًا من التحول الطاقي المطلوب للحد من تغير المناخ . ومن المتوقع أن تزداد الحاجة إلى الطاقة الشمسية ^{[ 2 ]} وطاقة الرياح ^{[ 3 ]} بشكل كبير، مع ازدياد الطلب على الكهرباء ^{[ 4 ]} نتيجةً لزيادة استخدام الكهرباء في النقل والمنازل والصناعة. ^{[ 5 ]} ومع ذلك، فقد أفادت التقارير في عام 2023 أن إمدادات الكهرباء العالمية تقترب من ذروة انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون بفضل نمو الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. ^{[ 6 ]}

اكتشف العالم البريطاني مايكل فاراداي المبادئ الأساسية لتوليد الكهرباء في عشرينيات وثلاثينيات القرن التاسع عشر . وتعتمد طريقته، التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم، على توليد الكهرباء بتحريك حلقة سلكية، أو قرص فاراداي ، بين قطبي مغناطيس . وأصبحت محطات الطاقة المركزية مجدية اقتصاديًا مع تطوير نقل الطاقة بالتيار المتردد ، باستخدام محولات الطاقة لنقل الطاقة بجهد عالٍ وبفقد منخفض.

بدأ الإنتاج التجاري للكهرباء بربط الدينامو بالتوربين الهيدروليكي. أدى الإنتاج الميكانيكي للطاقة الكهربائية إلى انطلاق الثورة الصناعية الثانية، ومكّن من ابتكار العديد من الاختراعات التي تستخدم الكهرباء، وكان من أبرز المساهمين فيها توماس ألفا إديسون ونيكولا تيسلا . في السابق، كانت الطريقة الوحيدة لإنتاج الكهرباء هي التفاعلات الكيميائية أو استخدام خلايا البطاريات، وكان الاستخدام العملي الوحيد للكهرباء هو التلغراف .

بدأ توليد الكهرباء في محطات الطاقة المركزية عام ١٨٨٢، عندما أنتج محرك بخاري يدير مولدًا كهربائيًا في محطة بيرل ستريت تيارًا مستمرًا زوّد إضاءة شارع بيرل ستريت في نيويورك بالطاقة. وسرعان ما تبنت العديد من المدن حول العالم هذه التقنية الجديدة، حيث حوّلت مصابيح الشوارع التي تعمل بالغاز إلى الطاقة الكهربائية. وسرعان ما استُخدمت المصابيح الكهربائية في المباني العامة، والشركات، ولتشغيل وسائل النقل العام، مثل الترام والقطارات.

استخدمت محطات الطاقة الأولى الطاقة المائية أو الفحم. ^{[ 7 ]} أما اليوم، فتستخدم مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة، مثل الفحم والطاقة النووية والغاز الطبيعي والطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح والنفط، بالإضافة إلى الطاقة الشمسية وطاقة المد والجزر ومصادر الطاقة الحرارية الأرضية .

في ثمانينيات القرن التاسع عشر، ازداد استخدام الكهرباء بشكل كبير مع ظهور المصباح المتوهج . ورغم وجود 22 مخترعًا معروفًا للمصباح قبل جوزيف سوان وتوماس إديسون ، إلا أن اختراع إديسون وسوان كان الأكثر نجاحًا وشعبية على الإطلاق. خلال السنوات الأولى من القرن التاسع عشر، شهدت العلوم الكهربائية قفزات هائلة . وبحلول أواخر القرن نفسه، أدى التقدم في تكنولوجيا وهندسة الكهرباء إلى جعلها جزءًا لا يتجزأ من الحياة اليومية. ومع ظهور العديد من الاختراعات الكهربائية وتطبيقها في الحياة اليومية، ازداد الطلب على الكهرباء في المنازل بشكل كبير. ومع هذا الارتفاع في الطلب، رأى العديد من رواد الأعمال إمكانية الربح، فبدأوا بالاستثمار في الأنظمة الكهربائية لإنشاء أولى شركات الكهرباء العامة. غالبًا ما يُوصف هذا المسار التاريخي بالتحول إلى الكهرباء. ^{[ 8 ]}

بدأ توزيع الكهرباء في بداياته من خلال شركات تعمل بشكل مستقل. كان المستهلك يشتري الكهرباء من المنتج، الذي بدوره يوزعها عبر شبكته الكهربائية. ومع تطور التكنولوجيا، تحسنت إنتاجية وكفاءة توليدها. كان لاختراعات مثل التوربينات البخارية أثر بالغ على كفاءة توليد الكهرباء، فضلاً عن جدواها الاقتصادية. كان تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية مشابهاً لمحركات البخار ، ولكن على نطاق أوسع بكثير وبكفاءة أعلى. كانت التحسينات التي أُدخلت على محطات التوليد واسعة النطاق هذه حاسمة لعملية التوليد المركزي، إذ أصبحت فيما بعد عنصراً أساسياً في نظام الطاقة الذي نستخدمه اليوم.

خلال منتصف القرن العشرين، بدأت العديد من شركات المرافق بدمج شبكات التوزيع الخاصة بها لما في ذلك من فوائد اقتصادية ورفع كفاءة التشغيل. ومع اختراع تقنية نقل الطاقة لمسافات طويلة ، بدأ تنسيق محطات توليد الطاقة بالتشكل. ثم تولى مشغلو الأنظمة الإقليمية تأمين هذا النظام لضمان استقراره وموثوقيته. بدأ تزويد المنازل بالكهرباء في شمال أوروبا وأمريكا الشمالية في عشرينيات القرن الماضي في المدن الكبرى والمناطق الحضرية. ولم تشهد المناطق الريفية انتشارًا واسع النطاق للكهرباء إلا في ثلاثينيات القرن الماضي. ^{[ 9 ]}

توجد عدة طرق أساسية لتحويل أشكال الطاقة الأخرى إلى طاقة كهربائية. ويتم توليد الطاقة على نطاق واسع باستخدام مولدات كهربائية دوارة أو أنظمة كهروضوئية . وتُوفّر البطاريات نسبة صغيرة من الطاقة الكهربائية التي توزعها شركات الكهرباء. وتشمل أشكال توليد الكهرباء الأخرى المستخدمة في تطبيقات متخصصة التأثير الكهروإجهادي ، والتأثير الكهروحراري ، والتأثير الكهروحراري ، والخلايا الكهروضوئية .

مولدات كهربائية

تحوّل المولدات الكهربائية الطاقة الحركية إلى كهرباء. هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتوليد الكهرباء وفقًا لقانون فاراداي . ويمكن ملاحظة ذلك عمليًا بتدوير مغناطيس داخل حلقات مغلقة من مادة موصلة، مثل سلك نحاسي. تعتمد معظم عمليات توليد الكهرباء التجارية على الحث الكهرومغناطيسي، حيث تُجبر الطاقة الميكانيكية المولد على الدوران.

الكيمياء الكهربائية

الكيمياء الكهربائية هي التحويل المباشر للطاقة الكيميائية إلى كهرباء، كما هو الحال في البطاريات . يُعد توليد الكهرباء الكهروكيميائي ذا أهمية بالغة في التطبيقات المحمولة والمتنقلة. حاليًا، يُستمد معظم الطاقة الكهروكيميائية من البطاريات. ^{[ 11 ]} تعمل الخلايا الأولية ، مثل بطاريات الزنك والكربون الشائعة ، كمصادر طاقة مباشرة، بينما تُستخدم الخلايا الثانوية (أي البطاريات القابلة لإعادة الشحن) لأنظمة التخزين بدلًا من أنظمة التوليد الأولية. يمكن استخدام الأنظمة الكهروكيميائية المفتوحة، المعروفة بخلايا الوقود ، لاستخلاص الطاقة إما من الوقود الطبيعي أو من الوقود المُصنّع. تُعدّ الطاقة الأسموزية خيارًا متاحًا في المناطق التي تتداخل فيها المياه المالحة والعذبة.

يختلف اختيار أنماط إنتاج الكهرباء وجدواها الاقتصادية تبعًا للطلب والمنطقة. وتتباين الجدوى الاقتصادية بشكل كبير حول العالم، مما يؤدي إلى تباين أسعار بيع الكهرباء السكنية. ولكل من محطات الطاقة الكهرومائية ، ومحطات الطاقة النووية ، ومحطات الطاقة الحرارية ، ومصادر الطاقة المتجددة مزاياها وعيوبها، ويعتمد الاختيار على احتياجات الطاقة المحلية وتقلبات الطلب.

تتعرض جميع شبكات الطاقة لأحمال متفاوتة. يمثل الحد الأدنى اليومي ^{[ 12 ]} الحمل الأساسي ، والذي غالبًا ما توفره محطات تعمل باستمرار. يمكن لمحطات الطاقة النووية والفحم والنفط والغاز وبعض محطات الطاقة الكهرومائية توفير الحمل الأساسي. إذا كانت تكاليف حفر آبار الغاز الطبيعي أقل من 10 دولارات لكل ميغاواط/ساعة، فإن توليد الكهرباء من الغاز الطبيعي يكون أرخص من توليدها عن طريق حرق الفحم. ^{[ 13 ]}

تستطيع محطات الطاقة النووية إنتاج كميات هائلة من الطاقة من وحدة واحدة. مع ذلك، أثارت الكوارث النووية مخاوف بشأن سلامة الطاقة النووية، كما أن التكلفة الرأسمالية لمحطات الطاقة النووية مرتفعة للغاية. تقع محطات الطاقة الكهرومائية في مناطق يمكن فيها تسخير الطاقة الكامنة من المياه المتدفقة لتشغيل التوربينات وتوليد الطاقة. قد لا تكون هذه المحطات مصدراً اقتصادياً مجدياً للإنتاج في حال محدودية القدرة على تخزين تدفق المياه وتفاوت الأحمال بشكل كبير خلال دورة الإنتاج السنوية.

كانت المولدات الكهربائية معروفة بأشكالها البسيطة منذ اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. وبشكل عام، يقوم محرك رئيسي، كالمحركات أو التوربينات المذكورة سابقًا، بتحريك مجال مغناطيسي دوار عبر ملفات سلكية ثابتة، محولًا بذلك الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء. ^{[ 14 ]} أما الأشكال التجارية الوحيدة لإنتاج الكهرباء التي لا تستخدم مولدًا فهي الخلايا الشمسية الكهروضوئية وخلايا الوقود .

التوربينات

تُنتج معظم الطاقة الكهربائية التجارية على سطح الأرض باستخدام التوربينات ، التي تُدار بواسطة الرياح أو الماء أو البخار أو الغاز المحترق. تُشغل التوربينات مولدات كهربائية، محولةً بذلك طاقتها الميكانيكية إلى طاقة كهربائية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. تتعدد طرق توليد الطاقة الميكانيكية، بما في ذلك المحركات الحرارية والطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر. وتُستخدم المحركات الحرارية في معظم عمليات توليد الكهرباء.

يُستمد معظم الطاقة اللازمة لهذه المحركات من احتراق الوقود الأحفوري ، مع نسبة كبيرة من الانشطار النووي وجزء من مصادر الطاقة المتجددة . وتُنتج التوربينات البخارية الحديثة ، التي اخترعها السير تشارلز بارسونز عام 1884، حاليًا حوالي 55% من الطاقة الكهربائية في العالم باستخدام مصادر حرارية متنوعة. وتشمل أنواع التوربينات ما يلي:

• بخار
  • يتم غلي الماء عن طريق حرق الفحم في محطة توليد الطاقة الحرارية . ويتم توليد حوالي 41% من إجمالي الكهرباء بهذه الطريقة. ^{[ 15 ]}
  • ينتج عن حرارة الانشطار النووي في المفاعل النووي بخار الماء. ويتم توليد أقل من 15% من الكهرباء بهذه الطريقة.
  • الطاقة المتجددة. يتم توليد البخار بواسطة الكتلة الحيوية أو الطاقة الحرارية الشمسية أو الطاقة الحرارية الأرضية .
• الغاز الطبيعي: تُدار التوربينات مباشرةً بالغازات الناتجة عن الاحتراق. أما محطات الدورة المركبة فتُدار بالبخار والغاز الطبيعي معًا. وتُولد الطاقة عن طريق حرق الغاز الطبيعي في توربين غازي ، ثم تُستخدم الحرارة المتبقية لتوليد البخار. ويُنتج ما لا يقل عن 20% من كهرباء العالم باستخدام الغاز الطبيعي.
• تُستخلص طاقة المياه بواسطة توربينات مائية من حركة المياه - سواءً من المياه المتساقطة، أو من ارتفاع وانخفاض المد والجزر، أو من التيارات الحرارية للمحيطات (انظر تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات ). وتُوفر محطات الطاقة الكهرومائية حاليًا ما يقارب 16% من كهرباء العالم.
• كانت طاحونة الهواء من أوائل توربينات الرياح . في عام 2018، تم إنتاج حوالي 5% من كهرباء العالم من طاقة الرياح.

يمكن للتوربينات استخدام سوائل أخرى لنقل الحرارة غير البخار. توفر دورات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج كفاءة تحويل أعلى بفضل سرعة التبادل الحراري، وكثافة الطاقة العالية، وبنية دورة الطاقة الأبسط. كما يمكن لمزيجات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ، التي لا تزال قيد التطوير، أن تزيد الكفاءة بشكل أكبر من خلال تحسين نقاط الضغط ودرجة الحرارة الحرجة.

على الرغم من أن التوربينات هي الأكثر شيوعاً في توليد الطاقة التجارية، إلا أنه يمكن تشغيل المولدات الأصغر حجماً بمحركات البنزين أو الديزل . ويمكن استخدام هذه المولدات لتوليد الطاقة الاحتياطية أو كمصدر رئيسي للطاقة داخل القرى النائية.

بلغ إجمالي إنتاج الطاقة في العالم في عام 2024 ما مقداره 30850 تيراواط ساعة، بما في ذلك الفحم (34٪)، والغاز (22٪)، والطاقة الكهرومائية (14٪)، والطاقة النووية (9٪)، وطاقة الرياح (8٪)، والطاقة الشمسية (7٪)، والنفط وأنواع الوقود الأحفوري الأخرى (3٪)، والكتلة الحيوية (2٪). ^{[ 16 ]}

تؤثر الاختلافات بين الدول المولدة للطاقة الكهربائية على المخاوف البيئية. ففي فرنسا، لا تتجاوز نسبة الكهرباء المولدة من الوقود الأحفوري 10% ، بينما ترتفع هذه النسبة في الولايات المتحدة لتصل إلى 70%، وفي الصين إلى 80%. ^{[ 17 ]} وتعتمد نظافة الكهرباء على مصدرها. إذ تُشكل تسربات غاز الميثان (من الغاز الطبيعي إلى محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز الطبيعي) ^{[ 18 ]} وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن توليد الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري جزءًا كبيرًا من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في العالم . ^{[ 19 ]} وفي الولايات المتحدة، يُعد احتراق الوقود الأحفوري لتوليد الطاقة الكهربائية مسؤولاً عن 65% من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت ، المكون الرئيسي للأمطار الحمضية. ^{[ 20 ]} ويُعد توليد الكهرباء رابع أعلى مصدر مُجتمع _{لأكاسيد} النيتروجين وأول أكسيد الكربون والجسيمات الدقيقة في الولايات المتحدة. ^{[ 21 ]}

بحسب وكالة الطاقة الدولية ، يجب أن تُشكّل مصادر توليد الكهرباء منخفضة الكربون 85% من الإنتاج العالمي للكهرباء بحلول عام 2040 لتجنب أسوأ آثار تغير المناخ. ^{[ 22 ]} ومثل منظمات أخرى، منها مركز تأثير الطاقة [ ^{23 ]} ولجنة الأمم المتحدة الاقتصادية لأوروبا ^[ 24] ، دعت وكالة الطاقة الدولية إلى توسيع نطاق الطاقة النووية والمتجددة لتحقيق هذا الهدف. ^{[ 25 ]} ويرى البعض، مثل مؤسس مركز تأثير الطاقة بريت كوجيلماس، أن الطاقة النووية هي الطريقة الأساسية لإزالة الكربون من توليد الكهرباء، لأنها قادرة أيضاً على تشغيل تقنية احتجاز ^{الكربون} من الهواء مباشرةً ، والتي تُزيل انبعاثات الكربون الموجودة في الغلاف الجوي. ^{[ 26 ]} كما يمكن لمحطات الطاقة النووية إنشاء مشاريع تدفئة مركزية وتحلية مياه ^{، مما يحدّ} من انبعاثات الكربون والحاجة إلى زيادة الإنتاج الكهربائي. ^{[ 27 ]}

تُعدّ الآثار البيئية السلبية الكبيرة التي تُخلّفها العديد من عمليات توليد الطاقة مشكلةً جوهريةً فيما يتعلق بالتوليد المركزي للطاقة وأساليب توليد الكهرباء المُستخدمة حاليًا. فعمليات مثل الفحم والغاز لا تُطلق ثاني أكسيد الكربون عند احتراقها فحسب، بل يُؤثّر استخراجها من الأرض أيضًا على البيئة. وتستهلك مناجم الفحم المكشوفة مساحاتٍ شاسعةً من الأراضي لاستخراج الفحم، مما يُحدّ من إمكانية استخدام الأراضي بشكلٍ مُنتجٍ بعد الحفر. ويُطلق استخراج الغاز الطبيعي كمياتٍ كبيرةً من غاز الميثان في الغلاف الجوي عند استخراجه من الأرض، مما يزيد بشكلٍ كبيرٍ من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية. ورغم أن محطات الطاقة النووية لا تُطلق ثاني أكسيد الكربون أثناء توليد الكهرباء، إلا أن هناك مخاطر مُرتبطة بالنفايات النووية ومخاوف تتعلق بالسلامة مرتبطة باستخدام المصادر النووية.

لكل وحدة من الكهرباء المولدة من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم والغاز، تكون انبعاثات غازات الاحتباس الحراري خلال دورة حياة الطاقة أعلى بعشر مرات على الأقل من انبعاثات طرق التوليد الأخرى. ^{[ 28 ]}

يمكن أن تؤثر موجات الحر الشديدة سلبًا على توليد الطاقة الكهربائية ونقلها وتوزيعها، مما قد يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي (انقطاع كامل أو جزئي). ويؤدي ارتفاع درجة حرارة الهواء المحيط إلى انخفاض كبير في كفاءة التوربينات والغلايات والمولدات، مما يؤثر على محطات الطاقة التي تعمل بالغاز الطبيعي والنفط والطاقة النووية، ولكنه لا يؤثر على محطات الطاقة التي تعمل بالفحم أو الكتلة الحيوية. كما أن ارتفاع درجة حرارة المياه يحد من قدرة التبريد في محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري والطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الحيوية والطاقة النووية. وقد ينخفض ​​توليد الطاقة الكهرومائية نتيجة لزيادة تبخر المسطحات المائية، كما ينخفض ​​توليد الكهرباء من الطاقة الكهروضوئية عند ارتفاع درجات الحرارة. ^{[ 29 ]}

التوليد المركزي هو توليد الكهرباء بواسطة محطات مركزية ضخمة، تُنقل عبر خطوط النقل إلى المستهلكين. تقع هذه المحطات عادةً بعيدًا عن المستهلكين، وتوزع الكهرباء عبر خطوط نقل عالية الجهد إلى محطة فرعية، حيث تُوزع بدورها إلى المستهلكين. وتقوم الفكرة الأساسية على أن المحطات الضخمة، التي تبلغ قدرتها عدة ميغاواط أو غيغاواط، تُنتج الكهرباء لعدد كبير من الناس. وتُنتج الغالبية العظمى من الكهرباء المستخدمة من التوليد المركزي. ويأتي معظم التوليد المركزي للطاقة من محطات توليد كبيرة تعمل بالوقود الأحفوري، مثل الفحم أو الغاز الطبيعي، على الرغم من شيوع استخدام الطاقة النووية أو محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة أيضًا. ^{[ 30 ]}

يُعدّ التوليد المركزي للطاقة الكهربائية نقيضًا جوهريًا للتوليد الموزع . فالتوليد الموزع هو توليد الكهرباء على نطاق صغير لمجموعات أصغر من المستهلكين، وقد يشمل ذلك أيضًا إنتاج الكهرباء بشكل مستقل باستخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. وقد شهد التوليد الموزع في السنوات الأخيرة رواجًا متزايدًا نظرًا لقدرته على استخدام أساليب توليد الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية المركبة على أسطح المنازل . ^{[ 31 ]}

مصادر الطاقة المركزية هي محطات توليد طاقة ضخمة تنتج كميات هائلة من الكهرباء لعدد كبير من المستهلكين. معظم محطات الطاقة المستخدمة في التوليد المركزي هي محطات حرارية، أي أنها تستخدم الوقود لتسخين البخار لإنتاج غاز مضغوط، والذي بدوره يدير توربينًا لتوليد الكهرباء. هذه هي الطريقة التقليدية لإنتاج الطاقة. تعتمد هذه العملية على عدة تقنيات لإنتاج الكهرباء على نطاق واسع، وهي الفحم الطبيعي والغاز والطاقة النووية. وفي الآونة الأخيرة، أصبحت الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من التقنيات واسعة الانتشار.

الطاقة الشمسية

محطة الطاقة الكهروضوئية ، والمعروفة أيضًا باسم حديقة الطاقة الشمسية أو مزرعة الطاقة الشمسية أو محطة توليد الطاقة الشمسية، هي نظام طاقة كهروضوئية واسع النطاق متصل بالشبكة، مصمم لتوفير الطاقة التجارية . وهي تختلف عن معظم أنظمة الطاقة الشمسية المثبتة على المباني وغيرها من أنظمة الطاقة الشمسية اللامركزية ، لأنها توفر الطاقة على مستوى شبكة الكهرباء العامة ، بدلاً من تزويد مستخدم أو مستخدمين محليين. ويُستخدم مصطلح "الطاقة الشمسية على نطاق المرافق العامة" أحيانًا لوصف هذا النوع من المشاريع.

يختلف هذا النهج عن الطاقة الشمسية المركزة ، وهي التقنية الرئيسية الأخرى لتوليد الطاقة الشمسية على نطاق واسع، والتي تستخدم الحرارة لتشغيل مجموعة متنوعة من أنظمة المولدات التقليدية. ولكل من النهجين مزايا وعيوب، ولكن حتى الآن، ولأسباب عديدة، شهدت تقنية الخلايا الكهروضوئية استخدامًا أوسع بكثير. ففي عام 2019، بلغت نسبة قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية حوالي 97% من إجمالي قدرة الطاقة الشمسية على نطاق المرافق العامة. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

في بعض البلدان، تُقاس القدرة الاسمية لمحطات الطاقة الكهروضوئية بوحدة ميغاواط ذروة (MW _{p )، والتي تشير إلى الحد الأقصى النظري لطاقة} التيار المستمر التي يمكن أن تنتجها الألواح الشمسية . وفي بلدان أخرى، يذكر المصنّع مساحة السطح وكفاءة الألواح. مع ذلك، غالبًا ما تستخدم كندا واليابان وإسبانيا والولايات المتحدة الأمريكية القدرة الاسمية المُحوّلة الأقل بوحدة ميغاواط تيار متردد ( MW _AC) ، وهو مقياس أكثر قابلية للمقارنة المباشرة مع أشكال توليد الطاقة الأخرى. وقد تم تطوير معظم محطات الطاقة الشمسية بقدرة لا تقل عن 1  ميغاواط _ذروة . وبحلول عام 2018، تجاوزت أكبر محطات الطاقة الكهروضوئية العاملة في العالم 1 غيغاواط . وفي نهاية عام 2019، بلغ عدد مزارع الطاقة الشمسية التي تزيد قدرتها عن 4  ميغاواط _{تيار متردد} (على نطاق المرافق العامة) حوالي 9000 مزرعة، بقدرة إجمالية تتجاوز 220  غيغاواط _{تيار متردد} . ^{[ 32 ]}

معظم محطات الطاقة الكهروضوئية واسعة النطاق القائمة مملوكة ومدارة من قبل منتجي طاقة مستقلين ، لكن مشاركة المشاريع المملوكة للمجتمعات المحلية وشركات المرافق العامة آخذة في الازدياد. ^{[ 34 ]} في السابق، كانت جميعها تقريبًا مدعومة جزئيًا على الأقل بحوافز تنظيمية مثل تعريفات التغذية أو الإعفاءات الضريبية ، ولكن مع انخفاض التكاليف المعيارية بشكل كبير في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين وتحقيق تكافؤ تكلفة الشبكة في معظم الأسواق، لم تعد هناك حاجة عادةً إلى حوافز خارجية.

الطاقة الكهرومائية

الطاقة الكهرومائية هي الكهرباء المولدة من الطاقة المائية. تُساهم الطاقة الكهرومائية بنسبة 15% من إجمالي الكهرباء في العالم ، أي ما يقارب 4210 تيراواط/ساعة في عام 2023، وهو ما يفوق إنتاج جميع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مجتمعة، ويتجاوز إنتاج الطاقة النووية أيضاً . تُتيح الطاقة الكهرومائية إمكانية توفير كميات كبيرة من الكهرباء منخفضة الكربون عند الطلب، مما يجعلها عنصراً أساسياً في إنشاء أنظمة إمداد كهربائي آمنة ونظيفة. تُعد محطة الطاقة الكهرومائية التي تحتوي على سد وخزان مصدراً مرناً، حيث يُمكن زيادة أو تقليل كمية الكهرباء المُنتجة في غضون ثوانٍ أو دقائق استجابةً لتغيرات الطلب على الكهرباء.

رياح

مزرعة الرياح ، وتُسمى أيضاً حديقة الرياح أو محطة توليد الطاقة بالرياح، ^{[ 35 ]} هي مجموعة من توربينات الرياح في موقع واحد تُستخدم لإنتاج الكهرباء . وتختلف مزارع الرياح في حجمها من عدد قليل من التوربينات إلى عدة مئات منها تغطي مساحة واسعة. وقد تكون مزارع الرياح برية أو بحرية .

تقع العديد من أكبر مزارع الرياح البرية العاملة في الصين والهند والولايات المتحدة . فعلى سبيل المثال، بلغت قدرة مزرعة رياح غانسو في الصين، وهي أكبر مزرعة رياح في العالم، أكثر من 6000 ميغاواط بحلول عام 2012 ، [ ^{36 ] مع} هدف الوصول إلى 20000 ميغاواط ^{[ 37 ]} بحلول عام 2020. ^{[ 38 ]} وفي ديسمبر 2020، أصبحت مزرعة رياح هورنسي في المملكة المتحدة، بقدرة 1218 ميغاواط، أكبر مزرعة رياح بحرية في العالم . ^{[ 39 ]} وتستمر تصاميم توربينات الرياح الفردية في التطور من حيث القدرة ، مما يقلل الحاجة إلى عدد التوربينات اللازمة للحصول على نفس إجمالي الإنتاج.   

نظرًا لعدم حاجتها للوقود، تُعدّ مزارع الرياح أقل ضررًا على البيئة من العديد من مصادر توليد الطاقة الأخرى، وغالبًا ما يُشار إليها كمصدر جيد للطاقة النظيفة . مع ذلك، وُجّهت انتقادات لمزارع الرياح بسبب آثارها البصرية على البيئة. عادةً ما تتطلب هذه المزارع مساحات شاسعة من الأراضي مقارنةً بمحطات الطاقة الأخرى، ويجب بناؤها في مناطق برية وريفية، مما قد يؤدي إلى "تصنيع الريف"، وفقدان الموائل الطبيعية ، وانخفاض السياحة. يزعم بعض النقاد أن لمزارع الرياح آثارًا صحية سلبية، لكن معظم الباحثين يعتبرون هذه المزاعم علمًا زائفًا (انظر متلازمة توربينات الرياح ). قد تتداخل مزارع الرياح مع الرادار ، مع أن وزارة الطاقة الأمريكية تُشير إلى أن "تحديد المواقع واتخاذ تدابير تخفيفية أخرى قد حلّت معظم التعارضات وسمحت لمشاريع طاقة الرياح بالتعايش بفعالية مع الرادار". ^{[ 40 ]}

الفحم

محطة توليد الطاقة بالفحم هي محطة حرارية تحرق الفحم لتوليد الكهرباء . يوجد في العالم حوالي 2500 محطة لتوليد الطاقة بالفحم، ^{[ 41 ]} قادرة على توليد جيجاوات واحد لكل منها في المتوسط . ^{[ 42 ] [ أ ]} تُنتج هذه المحطات حوالي ثلث كهرباء العالم ، ^{[ 43 ]} لكنها تُسبب العديد من الأمراض وأكبر عدد من الوفيات المبكرة لكل وحدة طاقة مُنتجة، ^{[ 44 ]} ويرجع ذلك أساسًا إلى تلوث الهواء . ^{[ 45 ] [ 46 ]} تضاعفت القدرة المركبة عالميًا من عام 2000 إلى عام 2023، وزادت بنسبة 2% في عام 2023. ^{[ 47 ]}

محطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم هي نوع من محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري . يُطحن الفحم عادةً ثم يُحرق في غلاية تعمل بالفحم المطحون . تحوّل حرارة الفرن ماء الغلاية إلى بخار ، والذي يُستخدم بدوره لتدوير التوربينات التي تُشغّل المولدات . وهكذا، تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة في الفحم تباعًا إلى طاقة حرارية ، ثم طاقة ميكانيكية ، وأخيرًا إلى طاقة كهربائية .

تُعدّ محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم أكبر مُساهم منفرد في تغير المناخ ، ^{[ 48 ]} إذ تُطلق ما يقارب 12 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا، ^{[ 42 ]} أي ما يُعادل خُمس انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية . ^{[ 49 ]} وتُساهم الصين بأكثر من نصف إنتاج الكهرباء العالمي من الفحم. ^{[ 50 ]} وبينما بدأ العدد الإجمالي لمحطات الفحم العاملة بالانخفاض في عام 2020، ^{[ 51 ] [ 52 ]} نتيجةً لإغلاق بعضها في أوروبا ^{[ 53 ]} والأمريكتين، ^{[ 54 ]} يستمر البناء في آسيا، وخاصةً في الصين وجنوب شرق آسيا. ^{[ 55 ] [ 56 ]} ويُحافظ على ربحية بعض المحطات بفضل العوامل الخارجية ، حيث لا تنعكس التكاليف الصحية والبيئية لإنتاج الفحم واستخدامه بشكل كامل في أسعار الكهرباء. ^{[ 57 ] [ 58 ]} ومع ذلك، تواجه المحطات الأحدث خطر أن تُصبح أصولًا مُعطلة . ^{[ 59 ]} يمثل هذا خطراً خاصاً في جنوب شرق آسيا، وهي إحدى مناطق العالم التي تشهد أعلى معدلات نمو في محطات توليد الطاقة بالفحم. ^{[ 60 ]}

دعا الأمين العام للأمم المتحدة دول منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية إلى التخلص التدريجي من توليد الطاقة بالفحم بحلول عام 2030، وبقية العالم بحلول عام 2040. ^{[ 61 ]}

يُبيّن الجدول 45 دولة مع إجمالي قدراتها الكهربائية. تعود البيانات إلى عام 2022. ووفقًا لإدارة معلومات الطاقة ، بلغ إجمالي القدرة الكهربائية العالمية في عام 2022 ما يقارب 8.9 تيراواط ، أي أكثر من أربعة أضعاف إجمالي القدرة الكهربائية العالمية في عام 1981. وبلغ متوسط ​​القدرة الكهربائية للفرد عالميًا حوالي 1120 واط في عام 2022، أي ما يقارب ضعفين ونصف متوسط ​​القدرة الكهربائية للفرد عالميًا في عام 1981.

تتمتع أيسلندا بأعلى قدرة توليد كهرباء مركبة للفرد في العالم، حيث تبلغ حوالي 8990 واط. وتتجاوز القدرة الكهربائية للفرد في جميع الدول المتقدمة المتوسط ​​العالمي، بينما تمتلك المملكة المتحدة أدنى متوسط ​​للقدرة الكهربائية للفرد بين جميع الدول المتقدمة الأخرى.

دولة	إجمالي السعة (جيجاواط)	متوسط ​​القدرة لكل فرد (بالواط)
عالم	8890	1120
الصين	2510	1740
الولايات المتحدة	1330	3940
الاتحاد الأوروبي	1080	2420
الهند	556	397
اليابان	370	2940
روسيا	296	2030
ألمانيا	267	3220
البرازيل	222	1030
كندا	167	4460
كوريا الجنوبية	160	3130
فرنسا	148	2280
إيطاليا	133	2230
إسبانيا	119	2580
المملكة المتحدة	111	1640
ديك رومى	107	1240
المكسيك	104	792
أستراليا	95.8	3680
المملكة العربية السعودية	85.3	2380
إيران	83.3	977
فيتنام	72.2	721
جنوب أفريقيا	66.7	1100
بولندا	64	1690
تايلاند	63	901
أوكرانيا	62.2	1440
مصر	61.1	582
تايوان	58	2440
هولندا	53.3	3010
السويد	52.1	5100
الأرجنتين	51.9	1130
باكستان	42.7	192
النرويج	41.7	7530
الإمارات العربية المتحدة	40.7	4010
ماليزيا	37.9	1110
تشيلي	37	1930
فنزويلا	34.1	1210
كازاخستان	29.6	1600
سويسرا	27.8	2960
النمسا	26.7	2890
الجزائر	25.9	590
اليونان	24.4	2400
إسرائيل	23.7	2520
فنلندا	22.2	3980
الدنمارك	21.3	3710
أيرلندا	13.3	2420
نيوزيلندا	11.6	2320
أيسلندا	3.24	8990

• مسرد مصطلحات توليد الطاقة
• التوليد المشترك للطاقة : استخدام محرك حراري أو محطة توليد طاقة لتوليد الكهرباء والحرارة المفيدة في نفس الوقت.
• تكلفة الكهرباء حسب المصدر
• مولد ديزل
• محرك-مولد
• تخطيط توسيع الأجيال
• محطة توليد الطاقة البخارية الكهربائية
• إمدادات الطاقة العالمية واستهلاكها